PDF de programación - MEMORIA VIRTUAL

MEMORIA VIRTUAL

Curso 2008/2009

ECm2 - Memoria Virtual

1

Definición

GRUPO DE ARQUITECTURA

DE COMPUTADORES

Gestión de memoria automática que da al
programador la ilusión de que su espacio de
direccionamiento no está limitado por el espacio
de memoria principal reservado a su programa
(espacio físico), sino por el rango de direcciones
que permite el sistema (espacio virtual).

Curso 2008/2009

ECm2 - Memoria Virtual

2

Ventajas de la memoria virtual

GRUPO DE ARQUITECTURA

DE COMPUTADORES

 El espacio virtual puede ser mucho

mayor que el espacio físico. (A veces
menor, raro).

 Facilita la multiprogramación.
 Mejor aprovechamiento de la memoria

principal.

 Facilita la protección de los programas.
 Transparente al programador.

Curso 2008/2009

ECm2 - Memoria Virtual

3

Inconvenientes de la memoria virtual

GRUPO DE ARQUITECTURA

DE COMPUTADORES

 Gasto temporal relativamente elevado
de la gestión de memoria (traducción
de direcciones, reemplazos de bloques
reservados, etc.)

 Gasto de procesamiento en la

resolución de excepciones.

 Gasto hardware para conseguir una

gestión de memoria rápida y eficiente
(MMU, Memory Management Unit).

Curso 2008/2009

ECm2 - Memoria Virtual

4

Estructura de la

gestión de la memoria virtual

GRUPO DE ARQUITECTURA

DE COMPUTADORES

 Traducción hw-sw:

Desde el procesador

Dirección Virtual

Mapeador de Direcciones

Dirección Física

Jerarquía de Memoria

Fallo de página
(si la página no
está presente)

Curso 2008/2009

ECm2 - Memoria Virtual

5

Estrategias de

GRUPO DE ARQUITECTURA

DE COMPUTADORES

implementación de la memoria virtual (I)

 MMU interna:

 MMU en el mismo circuito integrado que el

procesador.

 Se da en casi todos los procesadores

actuales

 Ventajas:

 Tiempos de acceso reducidos.
 Alta portabilidad de programas.
 Compartición de hardware entre el procesador

y la MMU.

Curso 2008/2009

ECm2 - Memoria Virtual

6

Estrategias de

GRUPO DE ARQUITECTURA

DE COMPUTADORES

implementación de la memoria virtual (II)

 MMU externa:

 MMU en un circuito integrado

independiente.

 Ejemplos:

 Motorola 68000/10 (68020) + 58451 (68851)
 Zilog 8001 (8803) + 8010 (8015)
 Nat. Semic. 16000 + 16082

 Ventajas:

 Se ahorra espacio del circuito integrado del
procesador para otros recursos (caché, etc.)

Curso 2008/2009

ECm2 - Memoria Virtual

7

Definiciones (I)

GRUPO DE ARQUITECTURA

DE COMPUTADORES

 Espacio virtual ≡ espacio nominal ≡

espacio de direcciones:
 Conjunto de direcciones que puede direccionar

un proceso.

 Espacio físico ≡ espacio de memoria ≡

reserva de memoria primaria (PMA):
 Espacio de memoria principal reservado para el

proceso.

Curso 2008/2009

ECm2 - Memoria Virtual

8

Definiciones (II)

GRUPO DE ARQUITECTURA

DE COMPUTADORES

 Traductor de direcciones:

 V: espacio virtual
 M: espacio físico

{ }!"# MVf :
, si x está en M
Vx
y
!"
en la posición y
, en otro caso

xf
)(

=

!=)(xf

0
1

|M|-1

Espacio
Físico

0
1
2
3

|V|-1

Espacio
Virtual

Curso 2008/2009

ECm2 - Memoria Virtual

9

Definiciones (III)

GRUPO DE ARQUITECTURA

DE COMPUTADORES

 Excepción o fallo de direccionamiento:

 Se produce cuando f(x) = ø.
 La referencia x debe transferirse de la memoria secundaria

a la primaria.

 Reglas para resolver los fallos de direccionamiento:

 Regla de carga: CUANDO se transfiere x.
 Regla de ubicación: DONDE se sitúa x en la memoria

principal.

 Regla de reemplazo: QUE referencia virtual situada en la

memoria principal debe eliminarse para hacer sitio a x.
(sólo si la memoria principal está totalmente ocupada).

Curso 2008/2009

ECm2 - Memoria Virtual

10

Clasificación de los

GRUPO DE ARQUITECTURA

DE COMPUTADORES

sistemas de memoria virtual (I)

 Los sistemas de memoria virtual agrupan las

referencias virtuales en bloques.

 Una referencia virtual, por tanto, está
compuesta de dos campos: número de
bloque y desplazamiento dentro del bloque.

 Estos bloques se consideran como las

unidades de transferencia de información
entre la memoria secundaria y la principal.

Curso 2008/2009

ECm2 - Memoria Virtual

11

Clasificación de los

GRUPO DE ARQUITECTURA

DE COMPUTADORES

sistemas de memoria virtual (II)

 El traductor de direcciones, por tanto, sólo
debe traducir el campo de bloque, dejando
invariante el desplazamiento.

 El tamaño del traductor, de esta manera, es

proporcional al número de bloques del
espacio virtual (o físico). (Justificación de la
definición de bloques).

 Referencia: Nº de bloque + desplazamiento
 Sólo es necesario traducir el número de bloque.

Curso 2008/2009

ECm2 - Memoria Virtual

12

Clasificación de los

GRUPO DE ARQUITECTURA

DE COMPUTADORES

sistemas de memoria virtual (III)

 Tipos de sistemas de memoria virtual según el

tamaño de los bloques:
 Sistemas paginados:

 Los bloques son todos del mismo tamaño.
 Los bloques se llaman páginas y una excepción se

llama fallo de página.

 Sistemas segmentados:

 Los bloques son de tamaño diferente.
 Los bloques se llaman segmentos y una excepción

se llama fallo de segmento.

 Sistemas segmentados con paginación:

 Los bloques (segmentos) son de tamaño desigual

pero múltiplo de un tamaño unidad (página).

Curso 2008/2009

ECm2 - Memoria Virtual

13

Sistemas paginados

GRUPO DE ARQUITECTURA

DE COMPUTADORES

Esquema de memoria virtual más difundido.

Curso 2008/2009

ECm2 - Memoria Virtual

14

Representación

GRUPO DE ARQUITECTURA

DE COMPUTADORES

 Programa P:

 P = {p1,p2, … , pN},

pi página virtual.
 Normalmente, tamaño(pi) = p = 2k.
 Dirección virtual incluída en pi:

 aij = pidj, pi P, 0≤dj≤p
m bits m-k k bits

!

 Vector de referencias (referencias a
páginas generadas al ejecutarse P):
 R = r(1)r(2)…r(n), r(i) = pj, 1≤i≤n, 1≤j≤N

Curso 2008/2009

ECm2 - Memoria Virtual

15

Traducción de direcciones (I)

GRUPO DE ARQUITECTURA

DE COMPUTADORES

 Proyección del subespacio virtual asociado a P

sobre su espacio físico reservado en la
memoria principal (PMA):

DIRECCIÓN VIRTUAL

Número de Página

Desplazamiento

MAPEADOR
DE PÁGINAS

Dirección Base

de la Página

Desplazamiento

Relativo

Dentro de
la Página

Curso 2008/2009

ECm2 - Memoria Virtual

16

Página (en Memoria)

Traducción de direcciones (II)

GRUPO DE ARQUITECTURA

DE COMPUTADORES

 La traducción sólo afecta al campo de

página virtual. El desplazamiento se
concatena con el resultado de la
traducción.

 Página virtual  página física

Curso 2008/2009

ECm2 - Memoria Virtual

17

Esquemas básicos de

GRUPO DE ARQUITECTURA

DE COMPUTADORES

implementación de la traducción (I)

 Traducción directa:

 El traductor se implementa mediante una tabla de
acceso directo de tamaño |V|/p, llamada tabla de
páginas.
 Tabla indexada por el número de PV
 Bit de residencia
 Bit de validez
 Bit de modificación
(siempre postescritura)
 Reemplazo
(ej. Bits de referencia)
 Protección

#de Pág. Desplaz.

0
1
i

#de Marco

Desplaz.

Curso 2008/2009

ECm2 - Memoria Virtual

18

|V|/p-1

Tabla de Páginas

Esquemas básicos de

GRUPO DE ARQUITECTURA

DE COMPUTADORES

implementación de la traducción (II)

 Traducción directa

(cont.):
 Almacenamiento de la

tabla de páginas:
 En registros rápidos:
 Traducción rápida y

costosa.

 En la memoria principal:
 Traducción más lenta

pero menos costosa que
la anterior.

1
6

R
e
g
i
s
t
r
o
s

d
e

d
i
r
e
c
c
i
ó
n

b
a
s
e

d
e

p
á
g
n
a

i

15

0

15

23

Dirección Lógica

0

Índice de registro Desplazamiento

4 bits

12 bits

# de
marco

Bits de

protección

Memoria

Física

Página
de 4KB

Dirección Física

0

# de marco Desplazamiento

Curso 2008/2009

ECm2 - Memoria Virtual

19

Esquemas básicos de

GRUPO DE ARQUITECTURA

DE COMPUTADORES

implementación de la traducción (II)

 Traducción asociativa:

 La traducción se implementa mediante una tabla de

páginas, pero ésta se almacena en una memoria
asociativa. Su tamaño es |M|/p.

 Tabla de páginas invertida por hash (f(DV)  DF).

#de Pág. Desplaz.

i
k

j
l

#de Marco

Desplaz.

Tabla de Páginas Asociativa (|M|/p entradas)

#de Pág. #de Marco

Curso 2008/2009

ECm2 - Memoria Virtual

20

Esquemas básicos de

GRUPO DE ARQUITECTURA

DE COMPUTADORES

implementación de la traducción (III)

 Traducción directa en varios niveles:
 El alto coste de los registros rápidos y de
las memorias asociativas así como el gran
tamaño de la tabla de páginas de acceso
directo restringen el uso de los esquemas
de traducción directo y asociativo a
sistemas pequeños.

 La mayoría de los sistemas realizan la

traducción mediante un esquema directo
en dos niveles, es decir, almacenan la
tabla de páginas en el espacio virtual
(paginan la tabla de páginas).

Curso 2008/2009

ECm2 - Memoria Virtual

21

Esquemas básicos de

GRUPO DE ARQUITECTURA

DE COMPUTADORES

implementación de la traducción (IV)

 Traducción directa en varios niveles (cont.):

 Algunos sistemas amplían la traducción a tres

niveles, como el Z80,000.

Registros

Descriptores

de Tablas

+

+

+

TP nivel 1

TP nivel 2

TP nivel 3

31

24 23

16 15

9

0

31

910

0

Dirección Lógica

I-TP1

I-TP2

I-TP2

∆

# Marco

∆

Buffer de
Traducción
Anticipada
 Inconvenientes:

Etiquetas de Dirección

Lógica de Página

Direcciones
Físicas de

Marcos

 La traducción es lenta, pues hay que hacer tres (o

cuatro, tres niveles más dato) accesos a la memoria
principal.

 La gestión de los fallos de página es compleja.

Curso 2008/2009

ECm2 - Memoria Virtual

22

Esquemas básicos de

GRUPO DE ARQUITECTURA

DE COMPUTADORES

implementación de la traducción (V)

 Traducción directa y asociativa combinada:

 Pretende combinar la ventaja del bajo coste

hardware de la traducción directa con la ventaja de la
alta velocidad de la traducción asociativa.

Puntero a la

Tabla de Páginas

#de Pág. Desplaz.

PTP

1
2

+

No acierto

Acier